DE112011100451T5

DE112011100451T5 - Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung und Vorrichtung zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung

Info

Publication number: DE112011100451T5
Application number: DE112011100451T
Authority: DE
Inventors: Haruo Nakazawa
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2010-02-04
Filing date: 2011-01-27
Publication date: 2013-04-04
Also published as: JPWO2011096326A1; WO2011096326A1; US20120329257A1; CN102741982B; CN102741982A

Abstract

Eine Rückseite (1a) eines FZ-N-Substrats (1) wird mit Phosphor und Bor ionenimplantiert. Die Rückseite (1a) des FZ-N-Substrats (1) wird dann durch Bestrahlung mit Laserlicht (14) lasergeglüht, während das FZ-N-Substrat (1) durch eine Substraterwärmungseinrichtung (31) auf einer vorbestimmten Temperatur in einem Bereich zwischen 100°C und 500°C gehalten wird. Folglich werden eine FC-Schicht (9) und eine p+-Kollektorschicht (10) gebildet. Durch Durchführen von Laserglühen, während das FZ-N-Substrat (1) erwärmt wird, ist es möglich, das Aktivierungsverhältnis von ionenimplantiertem Phosphor und Bor zu erhöhen und ein gewünschtes Diffusionsprofil zu erreichen. Folglich kann das Aktivierungsverhältnis von Dotiersubstanzen, welche in die Rückseite (1a) des FZ-N-Substrats (1) ionenimplantiert wurden, ohne nachteilige Auswirkungen auf die Vorderseitenstruktur des FS-IGBT erhöht werden. Ferner können durch Ionenimplantation verursachte Kristallfehler hinreichend repariert werden und kann ein vorbestimmtes Diffusionsprofil erreicht werden.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung und eine Vorrichtung zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung.
STAND DER TECHNIK
Integrierte Leistungsschaltungen (IC), in welchen durch eine große Anzahl von Transistoren oder Widerständen und Leistungshalbleitervorrichtungen gebildete elektrische Schaltkreise auf einem Chip integriert sind, werden für wesentliche Komponenten von Computern und Kommunikationsgeräten weithin verwendet.
Ein IGBT (Isolierschicht-Bipolartransistor) ist eine Leistungshalbleitervorrichtung, welche Hochgeschwindigkeits-Schaltvorgänge und die Spannungsansteuerungskennlinie eines MOSFET (MOS-Gate-Feldeffekttransistor) mit einer niedrigen Durchlassspannungskennlinie eines Bipolartransistors kombiniert. IGBTs finden weitreichende Anwendung auf den industriellen Gebieten der Universal-Wechselrichter, AC-Server oder unterbrechungsfreien Stromversorgungen (UPS) und Schaltnetzteilen und außerdem bei Haushaltsgeräten wie Mikrowellenöfen, elektrischen Reiskochern und Stroboskopen. Die Entwicklung von Isolierschicht-Bipolartransistoren der nächsten Generation wurde vorangebracht, Transistoren mit neuartigen Chipstrukturen und mit einer niedrigeren Durchlassspannung werden entwickelt, und die Verringerung der Verluste und die Erhöhung des Wirkungsgrads von Anwendungsgeräten wird verfolgt
Die IGBT-Struktur kann von einem durchgriffsbehafteten (PT) Typ, einem durchgriffsfreien (NPT) Typ und einem Feldstopp-(FS)Typ sein. Praktisch alle der IGBTs, die gegenwärtig massengefertigt werden (außer einigen p-Kanal-IGBTs für Audio-Leistungsverstärker), haben eine vertikale n-Kanal-Zweischicht-Diffusionsstruktur. In der nachfolgenden Beschreibung wird davon ausgegangen, dass ein IGBT ein n-Kanal-IGBT ist, sofern nicht konkret anders angegeben.
Ein PT-IGBT hat eine Struktur, in welcher eine n⁺-Schicht (n⁺-Pufferschicht) zwischen einem p⁺-Epitaxialsubstrat (einer p⁺-Kollektorschicht) und einer n^–-Schicht (n^–-Aktivschicht) bereitgestellt ist und eine Sperrschicht in der n^–-Aktivschicht die n-Pufferschicht erreicht, wobei dies eine etablierte Grundstruktur für IGBTs ist. Jedoch reicht zum Beispiel eine n^–-Aktivschicht mit einer Dicke von ungefähr 70 μm für einen IGBT mit einer Spannungsfestigkeit eines 600-V-Systems aus, aber wo ein p⁺-Epitaxialsubstrat-Teil enthalten ist, wird die Gesamtdicke ungefähr 200 μm bis 300 μm, das heißt ziemlich groß. Entsprechend wurde ein NPT-IGBT oder FS-IGBT entwickelt, bei welchem durch Verwenden eines durch ein FZ-(Floating-Zone-)Verfahren gebildeten FZ-Substrats anstelle des p⁺-Epitaxialsubstrats und Bilden einer flachen p⁺-Kollektorschicht mit einer niedrigen Dosishöhe die Dicke verringert und die Kosten gesenkt werden.
9 ist eine Schnittansicht, welche den Hauptteil des herkömmlichen, eine flache p⁺-Kollektorschicht mit einer niedrigen Dosishöhe aufweisenden NPT-IGBT veranschaulicht. Dies ist die Schnittansicht einer halben Zelle. Ein NPT-IGBT mit einer niedrig dosierten, flachen p⁺-Kollektorschicht 22 (gering implantierten p⁺-Kollektorschicht) verwendet nicht das p⁺-Epitaxialsubstrat, welches auch als ein Stützsubstrat dient. Deshalb ist die gesamte Dicke (Gesamtdicke des Substrats) wesentlich kleiner als diejenige im PT-IGBT. In einer solchen Struktur kann der Injektionswirkungsgrad von Löchern gesteuert werden. Folglich kann Hochgeschwindigkeits-Schalten auch ohne Lebensdauerüberwachung erfolgen. Jedoch ist die Dicke der n^–-Aktivschicht 21 größer als diejenige im PT-IGBT und ist der Injektionswirkungsgrad der p⁺-Kollektorschicht niedriger. Deshalb nimmt die Durchlassspannung einen etwas hohen Wert an. Da jedoch anstelle des teuren p⁺-Epitaxialsubstrats das preiswerte FZ-Substrat verwendet wird, wie hierin oben erwähnt, können die Kosten des Chips gesenkt werden.
Die folgenden Bezugszeichen liegen in der Figur vor: 1 ist ein FZ-N-Substrat, 2 ist ein Gate-Oxidationsfilm, 3 ist eine Gate-Elektrode, 4 ist eine p⁺-Basisschicht, 5 ist eine n⁺-Emitterschicht, 6 ist ein Zwischenschicht-Isolierfilm, 7 ist eine Emitterelektrode und 11 ist eine Rückseitenelektrode (Kollektorelektrode). In der vorliegenden Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen bedeuten die Schichten oder Gebieten zugewiesenen Bezugssymbole n und p, dass diese Schichten oder Gebiete eine große Anzahl von Elektronen beziehungsweise Löchern enthalten. Ferner bedeuten die n oder p zugewiesenen Bezugssymbole + und –, dass die Dotierungskonzentration höher oder niedriger als diejenige in den Schichten ohne eine solche Zuweisung ist.
10 ist eine Schnittansicht, welche den Hauptteil des herkömmlichen FS-IGBT veranschaulicht. Die Grundstruktur ist die gleiche wie diejenige des PT-IGBT. Jedoch verwendet der PT-IGBT ein dickes p⁺-Epitaxialsubstrat, wohingegen der FS-IGBT anstelle des p⁺-Epitaxialsubstrats das FZ-N-Substrat 1 verwendet. Folglich wird die Gesamtdicke des FS-IGBT gegenüber derjenigen des PT-IGBT um 100 μm bis 200 μm weiter verringert. Ähnlich wie beim PT-IGBT wird die n^–-Aktivschicht 21 ungefähr 70 μm dick gemacht, um sie der 600-V-Spannungsfestigkeit anzupassen, und abgereichert. Zu diesem Zweck wird die n⁺-Feldstoppschicht 9 unter der n^–-Aktivschicht 21 bereitgestellt. Die n⁺-Feldstoppschicht 9 wirkt ähnlich der im PT-IGBT gebildeten n⁺-Pufferschicht. Auf einer dem Kollektor näheren Seite wird eine flache p⁺-Diffusionsschicht 10 mit einer niedrigen Dosishöhe als eine gering implantierte p⁺-Kollektorschicht verwendet. Folglich ist die Lebensdauerüberwachung nicht erforderlich wie im Fall des NPT-IGBT. Es gibt auch FS-IGBTs mit einer Trench-Gate-Struktur, bei welcher eine schmale, tiefe Rinne (ein Trench) in der Chip-Oberfläche (in der Figur nicht gezeigt) gebildet ist und eine MOS-Gate-Struktur auf dessen Seitenfläche gebildet ist, um die Durchlassspannung weiter zu verringern. Die Gesamtdicke des Substrats wurde in letzter Zeit durch Designoptimierung und dergleichen weiter verringert.
Ferner haben Matrixkonverter, welche direkte Wechselstrom-Wechselstrom-Umwandlung ohne zwischengeschaltete Gleichstromumwandlung leisten, viel Aufmerksamkeit erregt. Im Gegensatz zu den herkömmlichen Wechselrichtern erfordern solche Umrichter keinen Kondensator, und dies bietet den Vorteil, dass die hohe Frequenz der Einspeisung verringert werden kann. Da ein Wechselstrom zugeführt wird, ist jedoch für einen Halbleiterschalter eine Sperrspannungsfestigkeit erforderlich. Wenn der herkömmliche IGBT verwendet wird, sollte eine rückwärts sperrende Diode in Reihe geschaltet werden, um Rückwärtssperren der verwendeten Einrichtung zu ermöglichen.
11 ist eine Schnittansicht, welche den Hauptteil des herkömmlichen rückwärts sperrenden IGBT veranschaulicht. Dieser rückwärts sperrende IGBT ist ein IGBT, der einer Sperrspannung widerstehen kann und dabei die Grundleistung des herkömmlichen IGBT beibehält. Deshalb ist die Grundkonfiguration, anders als das Vorhandensein einer Trennschicht 24 (p⁺-Schicht) zum Bereitstellen der Rückwärts-Sperrfähigkeit, die gleiche wie diejenige des NPT-IGBT. Da der rückwärts sperrende IGBT keine Reihendiode erfordert, kann der Leitungsverlust um die Hälfte verringert werden, wodurch ein signifikanter Beitrag zur Erhöhung des Umrichtungswirkungsgrads eines Matrixkonverters geleistet wird. Eine Kombination aus einem Verfahren zum Bilden tiefer Übergänge mit einer Tiefe größer als oder gleich 100 μm (Verfahren zum Bilden einer Trennschicht) und einem Verfahren zum Produzieren extrem dünner Wafer mit einer Dicke kleiner als oder gleich 100 μm (Dickenverringerungsverfahren) ermöglichte es, einen rückwärts sperrenden Hochleistungs-IGBT herzustellen.
Jedoch müssen, um einen dünnen IGBT mit einer Gesamtdicke von ungefähr 70 μm zu realisieren, mit der Produktion zusammenhängende Probleme wie Zurückschleifen einer Rückseite, Ionenimplantation von der Rückseite her, Wärmebehandlung der Rückseite und Verziehung dünner Wafer gelöst werden.
Die 12 bis 18 sind Schnittansichten, welche ein Verfahren zur Herstellung eines herkömmlichen FS-IGBT 200 veranschaulichen. Die 12 bis 18 zeigen die Schnittansichten der Hauptteile einer Halbleitervorrichtung im Herstellungsprozess in der Reihenfolge der Prozessschritte. Die Bildung des FS-IGBT auf dem Substrat kann gewöhnlich in einen Vorderseitenprozess und einen Rückseitenprozess unterteilt werden. Zuerst wird der Vorderseitenprozess erläutert. Eine Vorderseitenstruktur 8 der in 15 gezeigten Einrichtung wird durch einen Gate-Oxidationsfilm 2, eine Gate-Elektrode 3, eine p⁺-Basisschicht 4, eine n⁺-Emitterschicht 5, einen Zwischenschicht-Isolierfilm 6 und eine Emitterelektrode 7 gebildet.
Zuerst werden SiO₂ und ein Polysilizium auf der Vorderseite des FZ-N-Substrats 1b niedergeschlagen und werden der Gate-Oxidationsfilm 2 und die Gate-Elektrode 3 durch eine Fensteröffnungs-Verarbeitung mittels Fotolithographie gebildet. Folglich wird eine isolierende Gate-Struktur (MOS-Gate-Struktur) auf der Vorderseite des FZ-N-Substrats 1b gebildet (12). Die Fensteröffnungs-Verarbeitung wie hierin erwähnt ist eine Verarbeitung zum selektiven Entfernen des Gate-Oxidationsfilms 2 und der Gate-Elektrode 3 und zum Freilegen der Vorderseite des FZ-N-Substrats 1b.
Dann wird die p⁺-Basisschicht 4 auf der Vorderseite des FZ-N-Substrats 1b gebildet und wird die n⁺-Emitterschicht 5 in dieser p⁺-Basisschicht 4 gebildet. In diesem Fall werden die p⁺-Basisschicht 4 und die n⁺-Emitterschicht 5 durch Selbstausrichtung unter Verwendung der Gate-Elektrode 3 als Maske gebildet. Dann wird BPSG (Borphosphorsilikatglas), auf der Vorderseite des FZ-N-Substrats 1b niedergeschlagen und wird eine Fensteröffnungs-Verarbeitung durchgeführt, um den Zwischenschicht-Isolierfilm 6 zu bilden (13). Die p⁺-Basisschicht 4 und die n⁺-Emitterschicht 5 werden durch die Fensteröffnungs-Verarbeitung selektiv freigelegt.
Dann wird ein Aluminium-Silizium-Film so niedergeschlagen, dass er in Kontakt mit der n⁺-Emitterschicht 5 ist, und wird eine als die Emitterelektrode 7 dienende Vorderseitenelektrode gebildet. Um eine stabile Zusammenfügungsfähigkeit und eine niederohmige Verdrahtung zu realisieren, wird der Aluminium-Silizium-Film im anschließenden Schritt bei einer niedrigen Temperatur von ungefähr 400°C bis 500°C wärmebehandelt. Dann wird unter Verwendung eines Polyimids oder dergleichen ein isolierender Schutzfilm (in der Figur nicht gezeigt) so gebildet, dass er die Vorderseite des FZ-N-Substrats 1b bedeckt (14). Der Vorderseitenprozess wird durch die oben erwähnten Schritte abgeschlossen, und die Vorderseitenstruktur 8 (siehe 15) wird gebildet. Dann erfolgt ein Übergang zum Rückseitenprozess.
Im Rückseitenprozess wird zuerst das FZ-N-Substrat 1b durch Zurückschleifen oder -ätzen bis zur gewünschten Dicke von der Vorderseite her poliert und wird die Waferdicke verringert (Dickenverringerung) und wird ein dünnes FZ-N-Substrat 1 erzielt (15). Dann erfolgen Ionenimplantation 12 von Phosphor (P) und Ionenimplantation 13 von Bor (B) in der Reihenfolge der Beschreibung in die Rückseite 1a des FZ-N-Substrats 1 und werden die n⁺-Schicht 9a und die p⁺-Schicht 10a gebildet (16).
Dann wird in einem elektrischen Ofen (in der Figur nicht gezeigt) bei einer Temperatur von 350°C bis 500°C eine Niedertemperatur-Wärmebehandlung durchgeführt oder wird durch Bestrahlung mit einem Laserlicht 14 von der Rückseite 1a her Laserglühen durchgeführt. Folglich werden die phosphorimplantierte n⁺-Schicht 9a und die borimplantierte p⁺-Schicht 10a aktiviert und werden die FS-Schicht 9 (n⁺-Feldstoppschicht) und die p⁺-Kollektorschicht 10 gebildet. Die eigentliche Bestrahlung mit Laserlicht erfolgt nach Fixieren des FZ-N-Substrats 1 mit einer elektrostatischen Aufspannvorrichtung oder dergleichen auf der Rückseite 1a (17).
Eine durch eine Kombination aus Metallfilm wie einer Aluminiumschicht, einer Titanschicht, einer Nickelschicht und einer Goldschicht gebildete Rückseitenelektrode 11 wird auf der vorderseitigen Oberfläche der p⁺-Kollektorschicht 10 gebildet (18). Schließlich wird nach Kristallsägen in eine chip-artige Form (in der Figur nicht gezeigt) ein Aluminiumdraht durch Ultaschall-Drahtkontaktierung fest an der Emitterelektrode 7, welche die Vorderseitenelektrode ist, befestigt. Ein vorbestimmtes Befestigungselement wird durch eine Lotschicht mit der Rückseitenelektrode 11 verbunden. Damit ist die Herstellung des FS-IGBT 200 abgeschlossen.
Ionenimplantation in dem Zustand, in welchem das Substrat erwärmt wird, und eine Kombination aus Ionenimplantation und Laserglühen in dem Zustand, in welchem das Substrat erwärmt wird, wurden als Verfahren zum Aktivieren der Dotierungsschicht vorgeschlagen (siehe zum Beispiel Patentdokument 1 unten). Die im Fall des Verwendens (zusätzlichen Verwendens) des in Patentdokument 1 beschriebenen Verfahrens verwendete Herstellungsvorrichtung ist mit vier strukturellen Einheiten, nämlich einer Ionenimplantationseinheit, einer Laserbestrahlungseinheit, einem Optikspiegel und einer Substraterwärmungseinheit ausgestattet. Wenn das in Patentdokument 1 beschriebene Verfahren nicht verwendet wird (nicht zusätzlich verwendet wird), dient zum Beispiel die Ionenimplantationseinheit aus den vier oben erwähnten strukturellen Einheiten als eine von den anderen strukturellen Einheiten getrennte Komponente und gleicht das Herstellungsverfahren zum Beispiel dem in den 12 bis 18 gezeigten Verfahren zur Herstellung des herkömmlichen FS-IGBT 200.
Ferner wurde ein Verfahren zum Aktivieren der Ionenimplantationsschicht durch Verwenden zweier Laserglühvorrichtungen mit verschiedenen Wellenlängen als ein separates Verfahren vorgeschlagen (siehe zum Beispiel Patentdokument 2).
Ferner wurden auch die Rückseitenkonzentration und das Aktivierungsverhältnis eines FS-IGBT vorgeschlagen (siehe zum Beispiel Patentdokument 3).
19 ist eine Prinzipskizze, welche den Hauptteil der gewöhnlichen Laserglühvorrichtung veranschaulicht. In der in 19 gezeigten Laserglühvorrichtung wird das FZ-N-Substrat 1 mit einer elektrostatischen Aufspannvorrichtung 17 festgehalten und wird die Rückseite 1a des FZ-N-Substrats 1 über einen Optikspiegel 16 mit dem aus einer Laserbestrahlungseinheit 15 ausgestrahlten Laserlicht 14 bestrahlt. In der Laserglühvorrichtung wird die Rückseite 1a des FZ-N-Substrats 1 so lasergeglüht, um die Dotiersubstanzen, welche in die Rückseite 1a eingebracht wurden, zu aktivieren.
Patentdokument 1: Japanische Patentanmeldungs-Veröffentlichung Nr. 2005-268487
Patentdokument 2: Japanische Patentveröffentlichung Nr. 4043865
Patentdokument 3: Japanische Patentveröffentlichung Nr. 4088011
Der oben beschriebene Inhalt weist darauf hin, dass die folgenden Probleme mit den herkömmlichen Herstellungsverfahren zusammenhängen.

(1) Wenn das Aktivierungsverhältnis erhöht wird, um ein vorbestimmtes Diffusionsprofil In der FS-Schicht 9 eines FS-IGBT zu erreichen, kann dies nicht durch Niedertemperatur-(350°C bis 500°C)Wärmebehandlung in einem elektrischen Ofen erreicht werden.
(2) Wenn das FZ-N-Substrat 1 sich in einem Raumtemperatur-Zustand befindet, ist die Reparatur von Fehlern in der FS-Schicht 9 beim Laserglühen unzureichend.
(3) In der gewöhnlichen Laserglühvorrichtung ist kein Mechanismus zum Erwärmen des Substrats bereitgestellt. Deshalb ist es, um die in Punkt (2) erwähnte Reparatur von Fehlern durchzuführen, erforderlich, eine Wärmebehandlung bei einer niedrigen Temperatur (350°C bis 500°C) separat durchzuführen. In diesem Fall wird die Wärmebehandlung bei einer niedrigen Temperatur durchgeführt, weil die Aluminiumelektrode (Emitterelektrode 7) auf der Vorderseite gebildet wurde.
(4) Bei der gewöhnlichen Laserglühvorrichtung wird das FZ-N-Substrat 1 auf einer elektrostatischen Aufspannvorrichtung 17 festgehalten (siehe 19) und ist ein Erwärmungsmechanismus schwer an der elektrostatischen Aufspannvorrichtung 17 zu befestigen. Aus diesem Grund kann Laserglühen in einem Zustand, in welchem das FZ-N-Substrat 1 erwärmt wird, nicht durchgeführt werden.
(5) Ein mit dem in Patentdokument 1 beschriebenen Verfahren zusammenhängendes Problem ist, dass bei gleichzeitiger Durchführung von Ionenimplantation und Laserglühen, während das Substrat erwärmt wird, im Substrat Gebiete auftreten, in welche die Ionen Implantiert wurden, aber welche nicht mit Laserlicht bestrahlt wurden, sofern die Steuerung nicht so erfolgt, dass die Dauer der Ionenimplantation im wesentlichen gleich der Dauer der Laserbestrahlung ist.

In anderen Worten, die Dauer der Ionenimplantation, die Dauer der Laserbestrahlung und der Chiptemperaturzustand in diesen Prozessen hängen miteinander zusammen, das Diffusionsprofil ist von Chip zu Chip verschieden, und das Qualitätsverhältnis der Einrichtungen nimmt ab.
Die Streubreite des Diffusionsprofils der verschiedenen Chips wird nachfolgend erläutert. 20 ist eine erläuternde Zeichnung, welche veranschaulicht, wie ein Diffusionsprofil Instabil wird. Das FZ-N-Substrat 1, welches Ionenimplantation mit gleichzeitiger Laserlicht-Bestrahlung der der Ionenimplantation unterzogenen Oberfläche unterzogen wurde, ist im oberen Teil der Zeichnung in 20 gezeigt. Die Bestrahlung wird durch Hin- und Herbewegen des Lasers in einer Richtung 101 parallel zur Oberfläche des FZ-N-Substrats 1 und Abtasten des gesamten Substrats kontinuierlich durchgeführt. Ein Schaubild, welches den Aktivierungzustand des mit dem Laserlicht bestrahlten FZ-N-Substrats 1 veranschaulicht, ist im unteren Teil der Zeichnung in 20 gezeigt. Die Tiefe ab der Rückseite 1a des FZ-N-Substrats 1 ist auf der Abszisse im Schaubild in 20 aufgetragen. Die p⁺-Kollektorschicht 10 und die FS-Schicht 9 werden in der Reihenfolge der Beschreibung bis zu einer Tiefe von 1 μm ab der Rückseite 1a in der Rückseite 1a des FZ-N-Substrats 1 gebildet. Die Bezugssymbole p und n im Schaubild stellen die p⁺-Kollektorschicht 10 und die FS-Schicht 9 dar. Bei der zur Bildung der FS-Schicht 9 durchgeführten Ionenimplantation war die Dotiersubstanz Bor (B), war die Beschleunigungsenergie 50 keV und war die Dosishöhe 1,0 × 10¹⁶ cm^–2. Bei der zur Bildung der p⁺-Kollektorschicht 10 durchgeführten Ionenimplantation war die Dotiersubstanz Phosphor (P), war die Beschleunigungsenergie 240 keV und war die Dosishöhe 1,0 × 10¹³ cm^–2. Die Temperatur des FZ-N-Substrats 1 während der Ionenimplantation wurde auf 400°C gehalten.
Wie im Schaubild in 20 gezeigt, erfolgt die Aktivierung in einem einer Bestrahlung mit Laserlicht unterzogenen Gebiet (einem lasergeglühten Chip) 102 entlang einer als durchgezogene Linie gezeichneten Kurve 111. In anderen Worten, die Kurve 111 stellt den Aktivierungszustand in dem Fall dar, in welchem Ionenimplantation und Laserbestrahlung gleichzeitig durchgeführt werden. Das Laserglühen wird unter Verwendung eines YAG-2ω-Lasers mit einer Bestrahlungsenergiedichte von 2,8 J/cm² durchgeführt. Indes ist in einem Gebiet (Chip, der nicht lasergeglüht wurde) 103, das nicht mit Laserlicht bestrahlt wurde, die Aktivierung der p⁺-Kollektorschicht 10 und der FS-Schicht 9 unzureichend, wie durch eine als gestrichelte Linie gezeichnete Kurve 112 dargestellt. Ein solches Ergebnis wird in dem Fall erzielt, in welchem die zur Ionenimplantation in die gesamte Substratoberfläche erforderliche Zeit kürzer als die zur Laserbestrahlung unter den Bedingungen einer gleichzeitigen Durchführung von Ionenimplantation und Laserbestrahlung erforderliche Zeit ist. Ferner werden, wo Ionenimplantation bei Raumtemperatur durchgeführt wird (die planare Form des Chips ist in der Figur nicht gezeigt), die p⁺-Kollektorschicht 10 und die FS-Schicht 9 nicht aktiviert, wie durch eine als lang/kurz gestrichelte Linie gezeichnete Kurve 113 dargestellt.
Ferner wird die Herstellungsvorrichtung, wenn das in Patentdokument 1 beschriebene Verfahren verwendet (auch verwendet) wird, durch eine Ionenimplantationseinheit, eine Laserbestrahlungseinheit und eine Substraterwärmungseinheit gebildet. Folglich ist die Herstellungsvorrichtung sehr groß. Wenn das in Patentdokument 1 beschriebene Verfahren nicht verwendet (nicht auch verwendet) wird, sollte die Laserbestrahlungsenergie erhöht werden, um das Aktivierungsverhältnis der ionenimplantierten Dotiersubstanzen zu erhöhen, und die Substratoberfläche kann beschädigt werden. Ferner sind, wenn Dotiersubstanzen mit einer geringen Eindringtiefe und Dotiersubstanzen mit einer großen Eindringtiefe bei der Ionenimplantation gleichzeitig aktiviert werden, die beiden Arten von Dotiersubstanzen schwer mit gutem Nutzeffekt zu aktivieren.

(6) Das oben erwähnte Patentdokument 2 und das oben erwähnte Patentdokument 3 beschreiben nicht das Merkmal des Durchführens von Laserglühen in einem Zustand, in welchem das Substrat nach Ionenimplantation erwärmt wird, was ein spezifisches Merkmal der vorliegenden Erfindung ist.

OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, die oben beschriebenen dem Stand der Technik innewohnenden Probleme zu lösen und das Aktivierungsverhältnis von Dotiersubstanzen, welche in die Rückseite ionenimplantiert wurden, ohne nachteilige Auswirkungen auf die Vorderseitenstruktur der Einrichtung zu erhöhen. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, die durch Ionenimplantation verursachten Kristallfehler hinreichend zu reparieren und das gewünschte Diffusionsprofil zu erreichen.
Um die oben beschriebenen Probleme zu lösen und das Ziel der vorliegenden Erfindung zu erreichen, umfasst das Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung: das Ionenimplantieren einer Dotiersubstanz in ein Halbleitersubstrat und das Aktivieren der Dotiersubstanz durch Laserglühen unter Erwärmung des Halbleitersubstrats.
Um die oben beschriebenen Probleme zu lösen und das Ziel der vorliegenden Erfindung zu erreichen, hat das Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ferner die folgenden Merkmale. Zuerst wird ein Schritt des Bildens einer Vorderseitenstruktur wie einer Emitterschicht und einer Gate-Elektrode einer Halbleitervorrichtung, zum Beispiel eines FS-IGBT, auf einer ersten Hauptseite eines Halbleitersubstrats, zum Beispiel eines FZ-N-Substrats, durchgeführt. Dann wird ein Schritt des Schleifens einer zweiten Hauptseite des Halbleitersubstrats und des Verringerns der Dicke des Halbleitersubstrats (auch als Filmdickenverringerung bezeichnet) durchgeführt. Dann wird ein Schritt des Ionenimplantierens einer Dotiersubstanz, zum Beispiel Phosphor oder Bor, in die Rückseite, welche die zweite Hauptseite des Halbleitersubstrats verringerter Dicke ist, durchgeführt. Dann wird ein Schritt des Aktivierens der Dotiersubstanz durch Bestrahlen der zweiten Hauptseite mit Laserlicht und des Durchführens von Laserglühen in einem Zustand, in welchem das Halbleitersubstrat verringerter Dicke erwärmt wird, durchgeführt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es durch Durchführen von Laserglühen unter Erwärmung möglich, das Aktivierungsverhältnis zu erhöhen.
Ferner beträgt beim Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung die Erwärmungstemperatur des Halbleitersubstrats in der oben beschriebenen Erfindung 100°C bis 500°C.
Gemäß der vorliegenden Erfindung können bei im oben erwähnten Bereich liegender Erwärmungstemperatur die Dotiersubstanzen, welche in die Rückseite des Substrats ionenimplantiert wurden, ohne nachteilige Auswirkungen auf die Vorderseitenstruktur der Halbleitervorrichtung, welche auf der Vorderseite des Substrats gebildet wurde, aktiviert werden.
Bei dem Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden, Erfindung beträgt die Wellenlänge des beim Laserglühen verwendeten Laserlichts in der oben beschriebenen Erfindung 200 nm bis 900 nm.
Gemäß der vorliegenden Erfindung können bei im oben erwähnten Bereich liegender Wellenlänge Dotiersubstanzen mit einer so großen Diffusionstiefe wie ungefähr 1 μm wirkungsvoll aktiviert werden.
Bei dem Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung beträgt die Bestrahlungsenergiedichte des Laserlichts in der oben beschriebenen Erfindung 1,2 J/cm² bis 4 J/cm².
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann bei innerhalb des oben erwähnten Bereichs liegender Bestrahlungsenergiedichte das Aktivierungsverhältnis der Dotiersubstanzen, welche in die Rückseite ionenimplantiert wurden, erhöht werden. Bei außerhalb des oben erwähnten Bereichs liegender Bestrahlungsenergiedichte ist ein hohes Aktivierungsverhältnis schwer zu erreichen oder ergeben sich nachteilige Auswirkungen auf die Vorderseitenstruktur.
Bei dem Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung wird das Laserlicht in der oben beschriebenen Erfindung durch YAG-2ω-Laserlicht und Halbleiterlaserlicht gebildet.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es bei der oben erwähnten Kombination von Laserlichtarten möglich, die Laserlicht-Wellenlänge innerhalb eines großen Bereichs zu erzielen und eine Diffusionsschicht mit einer geringen Diffusionstiefe (p⁺-Kollektorschicht und dergleichen) und eine tiefe Diffusionsschicht (FS-Schicht) mit gutem Nutzeffekt und hohem Aktivierungsverhältnis zu aktivieren.
Um die oben beschriebenen Probleme zu lösen und das Ziel der vorliegenden Erfindung zu erreichen, umfasst die Vorrichtung zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung eine Trägereinheit, welche ein Halbleitersubstrat trägt; eine Bestrahlungseinheit, welche das Halbleitersubstrat mit Laserlicht bestrahlt; und eine Erwärmungseinheit, welche das Halbleitersubstrat erwärmt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird mit der Vorrichtung zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung der oben erwähnten Konfiguration eine Laserglühvorrichtung mit einem Erwärmungsmechanismus erzielt.
Bei der Vorrichtung zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung sind die Trägereinheit und die Erwärmungseinheit in der oben beschriebenen Erfindung integriert, um eine Substraterwärmungseinheit wie zum Beispiel eine Heizplatte zu konfigurieren, die eine Führung aufweist, welche die Halbleitervorrichtung festhält und das Halbleitersubstrat erwärmt.
Gemäß der oben beschriebenen Erfindung stellt sich, wo das Substrat während der Aktivierung der Ionenimplantationsschicht erwärmt wird, ein Zustand ein, in welchem die Ionenimplantationsschicht unter der Wirkung der Erwärmung leicht aktiviert wird. In diesem Fall wird, wo Laserbestrahlung erfolgt, die Wirkung der Wärme auf die Aktivierung erhöht und wird die Aktivierung gegenüber derjenigen im Fall von ab Raumtemperatur durchgeführtem Laserglühen erleichtert. Eine besonders signifikante Wirkung der Erwärmung des Substrats ergibt sich in Schichten, welche von der Seite der Laserbestrahlung gesehen tief liegen, weil es unwahrscheinlich ist, dass die Wärme der Laserstrahlung bis dorthin eindringt. Ein solcher Ansatz ist wirkungsvoll zum Aktivieren der FS-Schicht. Ferner können Kristallfehler in der Ionenimplantationsschicht hinreichend repariert werden. Da die Temperatur der Vorderseitenstruktur während des Laserglühens auf 500°C oder einem niedrigeren Wert gehalten wird, stellt sich darüber hinaus keine nachteilige Wirkung (Oxidation, Schmelzen usw.) an der Emitterelektrode ein. Folglich ist es möglich, ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung mit guten Kennwerten und einem hohen Aktivierungsverhältnis bereitzustellen.
Ferner ist es durch Verwendung einer mit einer Substraterwärmungseinheit ausgestatteten Laserglühvorrichtung möglich, eine hinreichende Aktivierung durchzuführen, ohne den üblichen elektrischen Ofen zu verwenden. Deshalb ist es möglich, eine Vorrichtung zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung bereitzustellen, welche zu niedrigen Kosten eine hohe Aktivierung erreichen kann. Überdies ist der übliche elektrische Ofen (Diffusionsofen oder dergleichen) teurer als die Substraterwärmungseinheit (Heizplatte).
Die durch die Halbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung demonstrierte Wirkung ist, dass das Aktivierungsverhältnis der Dotiersubstanz, welche in die Rückseite ionenimplantiert wurde, ohne nachteilige Auswirkungen auf die Vorderseitenstruktur der Einrichtung erhöht werden kann. Eine weitere Wirkung ist, dass das gewünschte Diffusionsprofil mit einer kleinen Streubreite erreicht werden kann, da die durch Ionenimplantation verursachten Kristallfehler hinreichend repariert werden können.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 Ist eine Schnittansicht, welche das Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung gemäß Ausführungsform 1 veranschaulicht.
2 ist eine Schnittansicht, welche das Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung gemäß Ausführungsform 1 veranschaulicht.
3 ist eine Schnittansicht, welche das Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung gemäß Ausführungsform 1 veranschaulicht.
4 ist eine Schnittansicht, welche das Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung gemäß Ausführungsform 1 veranschaulicht.
5 ist ein Schaubild, welches das Diffusionsprofil des FS-IGBT 100 veranschaulicht.
6 ist ein Schaubild, welches die Beziehung zwischen der Tiefe der FS-Schicht und der Substrattemperatur unter Verwendung einer Bestrahlungsenergiedichte als Parameter veranschaulicht.
7 ist ein Schaubild, welches die Beziehung zwischen der Tiefe der FS-Schicht und der Substrattemperatur unter Verwendung einer Kombination von Lasern als Parameter veranschaulicht.
8 ist eine Prinzipskizze, welche den Hauptteil der Vorrichtung zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung gemäß Ausführungsform 2 veranschaulicht.
9 ist eine Schnittansicht, welche den Hauptteil des herkömmlichen, eine flache p⁺-Kollektorschicht mit einer niedrigen Dosishöhe aufweisenden NPT-IGBT veranschaulicht.
10 ist eine Schnittansicht, welche den Hauptteil des herkömmlichen FS-IGBT veranschaulicht.
11 ist eine Schnittansicht, welche den Hauptteil eines rückwärts sperrenden IGBT veranschaulicht.
12 ist eine Schnittansicht, welche das herkömmliche Verfahren zur Herstellung eines FS-IGBT veranschaulicht.
13 ist eine Schnittansicht, welche das herkömmliche Verfahren zur Herstellung eines FS-IGBT veranschaulicht.
14 ist eine Schnittansicht, welche das herkömmliche Verfahren zur Herstellung eines FS-IGBT veranschaulicht.
15 ist eine Schnittansicht, welche das herkömmliche Verfahren zur Herstellung eines FS-IGBT veranschaulicht.
18 ist eine Schnittansicht, welche das herkömmliche Verfahren zur Herstellung eines FS-IGBT veranschaulicht.
17 ist eine Schnittansicht, welche das herkömmliche Verfahren zur Herstellung eines FS-IGBT veranschaulicht.
18 ist eine Schnittansicht, welche das herkömmliche Verfahren zur Herstellung eines FS-IGBT veranschaulicht.
19 ist eine Prinzipskizze, welche den Hauptteil der herkömmlichen Laserglühvorrichtung veranschaulicht.
20 ist eine erläuternde Zeichnung, welche veranschaulicht, wie ein Diffusionsprofil instabil wird.
BESTE AUSFÜHRUNGSWEISE DER ERFINDUNG
Die bevorzugten Ausführungsformen des Verfahrens zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung und der Vorrichtung zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung werden nun anhand der beigefügten Zeichnungen ausführlicher erläutert. In der vorliegenden Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen bedeuten die Schichten oder Gebieten zugewiesenen Bezugssymbole n und p, dass diese Schichten oder Gebiete eine große Anzahl von Elektronen beziehungsweise Löchern enthalten. Ferner bedeuten die n oder p zugewiesenen Bezugssymbole + und –, dass die Dotierungskonzentration höher oder niedriger als diejenige in den Schichten ohne eine solche Zuweisung ist. In der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen und in den beigefügten Zeichnungen sind gleiche Komponenten auch mit gleichen Bezugszeichen versehen, und auf Wiederholungen entsprechender Erläuterungen wird hierin verzichtet.
(Ausführungsform 1)
Die 1 bis 4 sind Schnittansichten, welche das Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung gemäß Ausführungsform 1 veranschaulichen. In den 1 bis 4 sind die Schnittansichten des Hauptteils der Halbleitervorrichtung im Herstellungsprozess in der Reihenfolge der Prozessschritte gezeigt. Ein FS-IGBT 100 (siehe 4) wird als ein Beispiel der Halbleitervorrichtung angesehen. Im Herstellungsprozess ist der auf der Vorderseite durchgeführte Prozess der gleiche wie der herkömmliche Prozess (siehe 12 bis 14). Deshalb wird hierin nur der Rückseitenprozess erläutert. Teile, die mit Teilen der herkömmlichen Konfiguration identisch sind, tragen auch die gleichen Bezugszeichen.
Eine Vorderseitenstruktur 8 wird auf der Vorderseite eines FZ-N-Substrats 1b gebildet. Dann wird, wie in 14 gezeigt, das FZ-N-Substrat 1b durch Zurückschleifen oder -ätzen bis zur gewünschten Dicke von der Rückseite des FZ-N-Substrats 1b her poliert und wird ein dünner Wafer erzielt. Folglich wird ein Dünnfilm-FZ-N-Substrat 1 erzielt. Dieses Substrat gleicht dem in 15 gezeigten FZ-N-Substrat 1.
Dann werden die Ionenimplantation 12 von Phosphor (P) und die Ionenimplantation 13 von Bor (B) in der Reihenfolge der Beschreibung von einer Rückseite 1a des FZ-N-Substrats 1 her durchgeführt und werden eine n⁺-Schicht 9a und eine p⁺-Schicht 10a auf der Rückseite 1a des FZ-N-Substrats 1 gebildet. In anderen Worten, die p⁺-Schicht 10a wird auf der Vorderseite der n⁺-Schicht 9a gebildet. Um ohmschen Kontakt mit der Rückseitenelektrode (in der Figur nicht gezeigt) sicherzustellen, kann BF₂ in eine p⁺-Kollektorschicht 10 implantiert werden, um eine p⁺⁺-Schicht zu bilden (2).
Dann wird das FZ-N-Substrat 1 so auf eine Substraterwärmungseinheit 31 (zum Beispiel eine Heizplatte) gelegt, dass dessen Rückseite 1a nach oben weist und die Vorderseite des FZ-N-Substrats 1 mit der Substraterwärmungseinheit in Kontakt ist. Laserglühen durch Bestrahlung mit einem Laserlicht 14 wird dann von der Rückseite 1a des FZ-N-Substrats 1 her in einem Zustand durchgeführt, in welchem die Temperatur des FZ-N-Substrats 1 durch eine Wärme 18 der Substraterwärmungseinheit 31 (ungefähr 5 Minuten lang) auf einem konstanten Wert zwischen 100°C und 500°C gehalten wird, die n⁺-Schicht 9a und die p⁺-Schicht 10a (siehe 2) aktiviert werden und eine FS-Schicht 9 (n⁺-Feldstoppschicht) und eine p⁺-Kollektorschicht 10 gebildet werden. Die bevorzugten Bedingungen des Laserglühens lauten wie folgt: die Wellenlänge des Laserlichts 14 liegt in einem Bereich zwischen 200 nm und 900 nm, und die Bestrahlungsenergiedichte des Laserlichts 14 liegt in einem Bereich zwischen 1,2 J/cm² und 4 J/cm². Ferner wird der Wärmebehandlungsprozess so durchgeführt, dass das Diffusionsprofil einer p⁺-Basisschicht 4 oder einer n⁺-Emitterschicht 5 sich nicht verändert und eine Emitterelektrode 7 nicht oxidiert und schmilzt. In anderen Worten, das Laserglühen wird so durchgeführt, dass es sich nicht nachteilig auf die Vorderseitenstruktur auswirkt (3).
Eine Rückseitenelektrode (Kollektorelektrode) 11 wird dann durch Laminieren eines Metallfilms wie einer Aluminiumschicht, einer Titanschicht, einer Nickelschicht und einer Goldschicht auf die Oberfläche der p⁺-Kollektorschicht 10 gebildet (4). Schließlich wird, obwohl in den Figuren nicht gezeigt, nach Durchführung des Kristallsägens zur Erzielung einer chip-artigen Form ein Aluminiumdraht durch Ultaschall-Drahtkontaktierung fest an der Emitterelektrode 7, welche eine Vorderseitenelektrode ist, befestigt und wird ein vorbestimmtes Befestigungselement (zum Beispiel ein am Gehäuseboden zu befestigender Cu-Sockel) durch eine Lotschicht mit der Rückseitenelektrode 11 verbunden. Folglich wird der in 4 gezeigte FS-IGBT 100 erzielt.
(Beispiel)
Die bevorzugten Bedingungen von Ionenimplantation und Laserglühen werden. nachfolgend erläutert. 5 ist ein Schaubild, welches das Diffusionsprofil des FS-IGBT 100 veranschaulicht. Das Diffusionsprofil ist ein mittels eines SR-(Spreading-Resistance-)Verfahrens gemessenes Konzentrationsprofil. Gemäß Ausführungsform 1 wurden zwei Arten des FS-IGBT 100 hergestellt, welche während des Herstellungsprozesses verschiedene Substrattemperaturen hatten. Die Substrattemperatur war (a) Raumtemperatur (keine Erwärmung; gestrichelte Linie in 5) und (b) 300°C (Substrat war erwärmt; durchgezogene Linie in 5). Weitere Bedingungen waren wie folgt. Nachdem die Substrattemperatur die vorbestimmte Temperatur erreicht hatte, wurde das Substrat 5 Minuten lang so belassen, und dann erfolgte Laserglühen durch Bestrahlen der Rückseite des Substrats mit Laserlicht. Ein YAG-2ω-Laser wurde als Laser verwendet, die Bestrahlungsenergiedichte des Laserlichts war 4 J/cm², und die Impulsbreite war 100 ns.
Die Bedingungen der Ionenimplantation lauteten wie folgt: die Ionenimplantationsdosis der Borschicht, welche die p⁺-Kollektorschicht 10 wird, war 1 × 10¹⁵ cm^–2, die Beschleunigungsspannung war 50 keV, die Ionenimplantationsdosis der Phosphorschicht, welche die FS-Schicht 9 wird, war 1 × 10¹² cm^–2, und die Beschleunigungsspannung war 700 keV. Der Neigungswinkel während der Ionenimplantation war in allen Fällen 7°.
Die in 5 gezeigten Ergebnisse weisen darauf hin, dass die Aktivierung der FS-Schicht 9 im Fall von (b) 300° (Substrat ist erwärmt) stärker als im Fall von (a) Raumtemperatur (keine Erwärmung) ist. Ferner kann, da Ionenimplantation und Laserglühen als separate Prozesse durchgeführt werden, wie hierin oben erwähnt, das Laserglühen in einem Zustand erfolgen, in welchem die Heizplatte 31, welche vorweg auf einer vorbestimmten Temperatur gehalten wurde, auf das FZ-N-Substrat 1 gelegt ist und die Temperaturverteilung im Substrat gleichmäßig und konstant wurde. Folglich haben die auf dem FZ-N-Substrat 1 gebildeten IGBTs eine gleichmäßige Temperatur; die gleichmäßigen Kennwerte, welche nicht von der Bildungsposition auf dem FZ-N-Substrat 1 abhängen, werden für alle der IGBTs erzielt.
6 ist ein Schaubild, welches die Beziehung zwischen der Tiefe der FS-Schicht und der Substrattemperatur, wofür die Bestrahlungsenergiedichte als Parameter genommen wird, veranschaulicht. Eine Vielzahl von FS-IGBTs 100 wurde durch Ändern der Substrattemperatur und der Bestrahlungsenergiedichte gemäß Ausführungsform 1 hergestellt. In diesem Fall wird die nach Glühen des ionenimplantierten FZ-N-Substrats 1 in einem elektrischen Ofen für 30 Minuten bei einer Temperatur von 900°C erreichte Diffusionstiefe (gerade Linie 30 in 6) der FS-Schicht 9 als 100% genommen. Die Bedingungen der Ionenimplantation lauteten wie folgt: die Ionenimplantationsdosis der p⁺-Schicht 10a (Borschicht), welche die p⁺-Kollektorschicht 10 wird, war 1 × 10¹⁶ cm^–2, die Beschleunigungsspannung war 50 keV, die Ionenimplantationsdosis der n⁺-Schicht 9a (Phosphorschicht), welche die FS-Schicht 9 wird, war 1 × 10¹² cm^–2, und die Beschleunigungsspannung war 700 keV. Der Neigungswinkel während der Ionenimplantation war in allen Fällen 7°.
Das Laserglühen erfolgte von der Rückseite 1a des FZ-N-Substrats 1 her bei vier verschiedenen, als Parameter dienenden Bestrahlungsenergiedichten: 1 J/cm², 1,2 J/cm², 2,6 J/cm² und 4 J/cm², und fünf verschiedenen Substrattemperaturen: 100°C, 200°C, 300°C, 400°C und 500°C. Experimentell wurde bestätigt, dass die Diffusionstiefe beim Laserglühen auf 70% derjenigen beim Glühen in einem elektrischen Ofen gebracht werden sollte, um eine funktionsfähige FS-Schicht 9 zu erhalten.
Die in 6 gezeigten Ergebnisse weisen darauf hin, dass die Bestrahlungsenergiedichte von 1 J/cm² nicht ausreicht, um die Tiefe der FS-Schicht 9, welche größer als oder gleich 70% ist, zu erzielen (um die FS-Schicht 9 hinreichend zu aktivieren), und die Bestrahlungsenergiedichte größer als oder gleich 1,2 J/cm² sein sollte. Indes erreicht die Tiefe der FS-Schicht 9, wo die Bestrahlungsenergiedichte 4 J/cm² übersteigt (dies ist in der Figur nicht gezeigt), auch bei niedriger Substrattemperatur 70%. Jedoch kann die Bestrahlungsenergiedichte in diesem Fall zu hoch sein und kann die durch das Laserlicht 14 bestrahlte Oberfläche welch werden und schmelzen. Deshalb sollte die Bestrahlungsenergiedichte vorzugsweise in einem Bereich zwischen 1,2 J/cm² und 4 J/cm² liegen.
Bei in einem Bereich zwischen 1,2 J/cm² und 4 J/cm² liegender Bestrahlungsenergiedichte kann die Substrattemperatur höher als oder gleich 200°C sein. Jedoch kann die Aluminiumelektrode, welche eine Vorderseitenelektrode (Emitterelektrode 7) ist, bei einer über 500°C steigenden Substrattemperatur oxidieren und weich werden. Deshalb sollte die Substrattemperatur vorzugsweise in einem Bereich zwischen 200°C und 500°C liegen.
7 ist ein Schaubild, welches die Beziehung zwischen der Tiefe der FS-Schicht und der Substrattemperatur unter Verwendung einer Kombination von Lasern als Parameter veranschaulicht. Eine Vielzahl von FS-IGBTs wurden gemäß Ausführungsform 1 durch Ändern der Substrattemperatur und Wechseln der Laserarten hergestellt. In diesem Fall wird das Laserglühen bei einer konstanten Bestrahlungsenergiedichte durchgeführt. Die Bestrahlungsenergiedichte beträgt zum Beispiel 4 J/cm². Die Bedingungen der Ionenimplantation sind die gleichen wie im durch 6 veranschaulichten Fall. Die Substrattemperatur ist eine der folgenden fünf: 100°C, 200°C, 300°C, 400°C und 500°C. Die Laser als Parameter waren von den folgenden drei Arten: ein einzelner YAG-2ω-Laser (Impulsbreite 100 ns) (vieleckige Linie mit ∎-Zeichen), zwei YAG-2ω-Laser (Impulsbreite 100 ns) mit einer Verzögerungszeit von 500 ns (vieleckige Linie mit •-Zeichen) und eine Kombination aus einem YAG-2ω-Laser (Impulsbreite 100 ns) und einem Halbleiterlaser (Wellenlänge 794 nm) (vieleckige Linie mit
-Zeichen).
Die in 7 gezeigten Ergebnisse weisen darauf hin, dass im Fall der Kombination aus einem YAG-2ω-Laser (Impulsbreite 100 ns) und einem Halbleiterlaser (Wellenlänge 794 nm) (vieleckige Linie mit
-Zeichen) die Absorption des Laserlichts 14 durch Silizium (Si) die höchste ist, die Eindringlänge des Laserlichts 14 groß ist und die FS-Schicht mit guter Stabilität und Reproduzierbarkeit bis zur größten Tiefe gebildet werden kann. Der hierin verwendete Halbleiterlaser (Dauerstrahlung) strahlt kontinuierlich Strahlung aus, während er das gesamte Substrat innerhalb der Bestrahlungsdauer des YAG-2ω-Lasers (Impulsstrahlung) abtastet. Wie aus 7 hervorgeht, beträgt bei der Kombination aus dem YAG-2ω-Laser und dem Halbleiterlaser die Tiefe der FS-Schicht 9 bei einer Substrattemperatur von 100°C 80%.
Im Fall von zwei YAG-2ω-Lasern (vieleckige Linie mit •-Zeichen) beträgt die Tiefe der FS-Schicht 9 bei einer Substrattemperatur von 100°C 70%. Es ist offensichtlich, dass durch Erhöhen der Anzahl von Lasern (in der vorliegenden Ausführungsform zwei Laser mit einer Gesamt-Energiedichte von 4 J/cm²) in einem Zustand bei erwärmtem Substrat und Durchführen der Bestrahlung mit einer Verzögerungszeit in einem Bereich zwischen 0 ns und 1000 ns (in der vorliegenden Ausführungsform 500 ns) ein hohes Aktivierungsverhältnis erreicht werden kann.
Indes ist offensichtlich, dass im Fall eines einzelnen YAG-2ω-Lasers (Impulsbreite 100 ns) (vieleckige Linie mit ∎-Zeichen) das Aktivierungsverhältnis der FS-Schicht 9 kleiner als dasjenige im Fall der Kombination aus dem YAG-2ω-Laser (Impulsbreite 100 ns) und dem Halbleiterlaser (Wellenlänge 794 nm) und im Fall von zwei YAG-2ω-Lasern ist.
Ein TEM-(Transmissionselektronenmikroskop-)Bild (in der Figur nicht gezeigt) bestätigt, dass die Kristallfehler im Ionenimplantationsgebiet der FS-Schicht 9 repariert werden, wenn die Tiefe der FS-Schicht 9 sich der durch Glühen im elektrischen Ofen erreichten Diffusionstiefe (der Tiefe von 100%) annähert. Eine solche Reparatur von Kristallfehlern ist vermutlich der Ersetzung der als Zwischengitterfehler eingebrachten Dotieratome durch das Kristallgitter bildende Si-Atome zuzuschreiben. Ferner wurde bei Untersuchung des Kristallfehlerreparaturprozesses mit dem TEM-Bild und bei Untersuchung der Aktivierung der Dotiersubstanz vom Standpunkt des Maßes an Tiefe der FS-Schicht 9 (Bias ab der Tiefe von 100%) aus festgestellt, dass die zwei Prozesse gleichzeitig vonstatten gehen. Ferner zeigten die Ergebnisse der TEM-Bild-Untersuchung, dass die Erwärmung des Substrats auch hinsichtlich Kristallfehlerreparatur wirkungsvoll ist.
Zwei Laser, nämlich der Halbleiterlaser und der YAG-2ω-Laser (Wellenlänge 532 nm), welcher ein Festkörperlaser ist, werden im vorliegenden Beispiel verwendet. Der Festkörperlaser kann YLF 2ω (Wellenlänge 527 nm), YVO4 (2ω) (Wellenlänge 532 nm), YAG 3ω, YLF 3ω und YVO4 (3ω) sein. Ferner kann anstelle der oben erwähnten Festkörperlaser ein Excimerlaser wie XeCL (Wellenlänge 308 nm), KrF (Wellenlänge 248 nm) und XeF (Wellenlänge 351 nm) verwendet werden.
Ferner kann die Wellenlänge des beim Laserglühen verwendeten Laserlichts 14 in einem Bereich zwischen 200 nm und 900 nm liegen. Die Auswahl eines solchen Bereichs lässt sich wie folgt erklären. Bei einer unter 200 nm liegenden Wellenlänge des Laserlichts 14 ist die Eindringtiefe des Laserlichts 14 klein, wird der Glühbereich die oberste Oberflächenschicht und reicht eine solche Wellenlänge nicht aus, um die FS-Schicht 9 mit einer großen Diffusionstiefe zu glühen. Ferner wird bei einer 900 nm übersteigenden Wellenlänge des Laserlichts 14 der Absorptionsbereich des Laserlichts 14 tiefer als die FS-Schicht 9 und nimmt das Aktivierungsverhältnis der p⁺-Kollektorschicht 10 und der FS-Schicht 9 stark ab.
Nachfolgend wird die Wirksamkeit der Substraterwärmung erläutert. Wo das FZ-N-Substrat 1 während der Aktivierung der Ionenimplantationsschicht erwärmt wird, stellt sich ein Zustand ein, in welchem die Ionenimplantationsschicht leicht aktiviert wird. Wo in diesem Fall Laserbestrahlung erfolgt, wird die Wirkung der Wärme auf die Aktivierung erhöht und wird die Aktivierung gegenüber derjenigen im Fall von ab Raumtemperatur durchgeführtem Laserglühen erleichtert. Eine besonders signifikante Wirkung der Erwärmung des Substrats ergibt sich in Schichten, welche von der Seite der Laserbestrahlung gesehen tief liegen, weil es unwahrscheinlich ist, dass die Wärme der Laserstrahlung bis dorthin eindringt. Deshalb ist der Prozess des Erwärmens des Substrats wirkungsvoll zum Aktivieren der FS-Schicht 9.
Ferner sind Ionenimplantation und Laserglühen gemäß der vorliegenden Erfindung getrennte Prozesse. Deshalb kann die Substrattemperatur ab einem Zeitpunkt vor Durchführung der Laserbestrahlung auf einem vorbestimmten Wert gehalten werden. Folglich kann die Streubreite der Eigenschaften von auf dem FZ-N-Substrat 1 gebildeten IGBTs verringert werden. Folglich kann das Qualitätsverhältnis des FS-IGBT 100 erhöht werden.
Der Inhalt der Ausführungsform 1 und des Beispiels lässt sich wie folgt zusammenfassen.

(1) Die folgenden Bedingungen beim Laserglühen sind zu bevorzugen: Bestrahlungsenergiedichte des Laserlichts 14 zwischen 1,2 J/cm² und 4 J/cm² und Substrattemperatur in einem Bereich zwischen 100°C und 500°C.
(2) Wenn Laserglühen nur mit einem Festkörperlaser wie einem YAG-2ω-Laser durchgeführt wird, ohne eine Kombination mit einem Halbleiterlaser zu verwenden, kann die Bestrahlungsenergiedichte des Laserlichts 14 in einem Bereich zwischen 1,2 J/cm² und 4 J/cm² liegen und kann die Substrattemperatur in einem Bereich zwischen 200°C und 500°C liegen, kann die Bestrahlungsenergiedichte des Laserlichts vorzugsweise in einem Bereich zwischen 2,6 J/cm² und 4 J/cm² liegen und kann die Substrattemperatur vorzugsweise in einem Bereich zwischen 300°C und 500°C liegen (siehe 6).
(3) Bei Kombination eines Festkörperlasers wie eines YAG-2ω-Lasers mit einem Halbleiterlaser und Verwendung einer Vielzahl von Festkörperlasern wie YAG-2ω-Lasern, wenn die Bestrahlungsenergiedichte 4 J/cm² beträgt, kann die Substrattemperatur in einem Bereich zwischen 100°C und 500°C liegen. Vorzugsweise liegt die Substrattemperatur in einem Bereich zwischen 200°C und 500°C (siehe 7).
(4) Die Wellenlänge des Laserlichts liegt vorzugsweise in einem Bereich zwischen 200 nm und 900 nm.
(5) Durch Realisieren der Merkmale (1) bis (4) ist es möglich, das gewünschte Diffusionsprofil zu erzielen.

Im vorliegenden Beispiel wird der FS-IGBT erläutert, aber diese Wahl stellt keine Beschränkung dar. Zum Beispiel kann die vorliegende Erfindung auch auf die Bildung einer p⁺-Kollektorschicht eines NPT-IGBT, einer p⁺-Kollektorschicht eines rückwärts sperrenden IGBT, einer n-Drain-Schicht eines Leistungs-MOSFET und auch auf die Bildung einer Rückseiten-Diffusionsschicht eines Leistungs-IC (einer Diffusionsschicht hoher Konzentration zur Sicherstellung des ohmschen Kontakts mit der Rückseitenelektrode) angewendet werden. Die in solchen Anwendungen demonstrierte Wirkung gleicht der mit dem oben erwähnten FS-IGBT erzielten.
Wie hierin oben beschrieben, stellt sich gemäß Ausführungsform 1, wo das Substrat während der Aktivierung der Ionenimplantationsschicht (p⁺-Kollektorschicht 10 und FS-Schicht 9) erwärmt wird, ein Zustand ein, in welchem die Ionenimplantationsschicht unter der Wirkung der Erwärmung leicht aktiviert wird. Wo in diesem Fall Laserbestrahlung erfolgt, wird die Wirkung der Wärme auf die Aktivierung erhöht und wird die Aktivierung gegenüber derjenigen im Fall von ab Raumtemperatur durchgeführtem Laserglühen erleichtert. Eine besonders signifikante Wirkung der Erwärmung des Substrats ergibt sich in Schichten, welche von der Seite der Laserbestrahlung gesehen tief liegen, weil es unwahrscheinlich ist, dass die Wärme der Laserstrahlung bis dorthin eindringt. Ein solcher Ansatz ist wirkungsvoll zum Aktivieren der FS-Schicht 9. Ferner können Kristallfehler in der Ionenimplantationsschicht hinreichend repariert werden. Die resultierende Wirkung ist, dass das gewünschte Diffusionsprofil mit einer kleinen Streubreite erreicht werden kann. Da die Temperatur der Vorderseitenstruktur während des Laserglühens auf 500°C oder einen niedrigeren Wert geregelt wird, stellt sich darüber hinaus keine nachteilige Wirkung (Oxidation, Schmelzen usw.) an der Emitterelektrode ein. Deshalb ist es möglich, das Aktivierungsverhältnis der Dotiersubstanzen, welche in die Rückseite ionenimplantiert wurden, ohne nachteilige Auswirkungen auf die Vorderseitenstruktur der Einrichtung zu erhöhen.
(Ausführungsform 2)
8 ist eine Prinzipskizze, welche den Hauptteil der Vorrichtung zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung gemäß Ausführungsform 2 veranschaulicht. In der in 8 gezeigten Herstellungsvorrichtung wird Laserglühen durchgeführt, um die ionenimplantierten Dotiersubstanzen zu aktivieren. Diese Herstellungsvorrichtung wird durch die Laserbestrahlungseinheit 15, den das Laserlicht 14 auf das FZ-N-Substrat 1 (den Wafer) lenkenden Optikspiegel 16, die Substraterwärmungseinheit 31, welche das FZ-N-Substrat 1 erwärmt, und eine das FZ-N-Substrat 1 an der Substraterwärmungseinheit 31 festhaltende Führung 32 (Pratze) gebildet. Die in 8 gezeigte Herstellungsvorrichtung wird zum Beispiel zur Herstellung der Halbleitervorrichtung gemäß Ausführungsform 1 verwendet. Durch Einrichten der Führung 32, welche das FZ-N-Substrat 1 an der Substraterwärmungseinheit 31 festhält, ist es möglich, sowohl eine Funktion einer Trägereinheit zum Tragen des FZ-N-Substrats 1 als auch eine Funktion einer Erwärmungseinheit zum Erwärmen des FZ-N-Substrats 1 zu realisieren.
Mit der in 8 gezeigten Herstellungsvorrichtung kann Laserglühen mittels Laserstrahl-Bestrahlung durchgeführt werden, während das Substrat erwärmt wird. Die Substraterwärmungseinheit 31 ist zum Beispiel eine Heizplatte, welche Temperaturregelung ermöglicht, und die Führung 32 zum Festhalten des FZ-N-Substrats 1 ist an der Substraterwärmungseinheit 31 befestigt. Vorzugsweise sollte ein 4-mm-Streifen am Außenumfang des Substrats (Wafers) während des Erwärmens des Substrats festgehalten werden, um zu verhindern, dass das FZ-N-Substrat 1 sich unter der Wärmeeinwirkung verzieht.
Die Substraterwärmungseinheit kann nicht nur die oben beschriebene Heizplatte sein, sondern kann auch eine Heißluftgebläseeinheit, welche Heißluft auf das Substrat bläst, oder eine Strahlung im fernen Infrarot ausstrahlende Einheit, welche das Substrat durch Ausstrahlen von Wärmestrahlung wie Strahlung im fernen Infrarot auf das Substrat erwärmt, sein. Diese Heißluftgebläseeinheit und diese Strahlung im fernen Infrarot ausstrahlende Einheit sind Mittel zum Erwärmen des Substrats. Eine elektrostatische Aufspannvorrichtung oder eine Unterdruck-Aufspannvorrichtung, welche in der gewöhnlichen Laserglühvorrichtung verwendet wurde, kann als Einheit zum Tragen des Substrats während des Erwärmens verwendet werden.
Die in 8 gezeigte Herstellungsvorrichtung ist eine mit einer Heizplatte zum Erwärmen des Substrats ausgestattete Laserglühvorrichtung und enthält keine Ionenimplantationseinheit, welche in der in Patentdokument 1 beschriebenen Herstellungsvorrichtung verwendet wird. Deshalb kann die Herstellungsvorrichtung stark verkleinert werden. Außerdem ist es durch Verwendung der mit der Substraterwärmungseinheit ausgestatteten Laserglühvorrichtung möglich, die Dotiersubstanzen, welche in die Rückseite des Substrats ionenimplantiert wurden, innerhalb einer kurzen Zeitspanne hinreichend zu aktivieren, ohne den üblichen elektrischen Ofen zu verwenden. Ferner können die Produktionskosten gesenkt werden, da kein teurer elektrischer Ofen (Diffusionsofen) erforderlich ist.
Wie hierin oben beschrieben, ist es gemäß Ausführungsform 2 durch Verwenden der mit der Substraterwärmungseinheit 31 ausgestatteten Laserglühvorrichtung möglich, auch ohne den üblichen elektrischen Ofen eine hinreichende Aktivierung durchzuführen. Deshalb ist es möglich, eine Vorrichtung zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung bereitzustellen, welche zu niedrigen Kosten ein hohes Maß an Aktivierung ermöglicht. Ferner können die Produktionskosten gesenkt werden, da es nicht erforderlich ist, den üblichen elektrischen Ofen (Diffusionsofen oder dergleichen) zu verwenden, welcher teurer als die Substraterwärmungseinheit (Heizplatte) 31 ist.
Die vorliegende Erfindung wird hierin oben unter Betrachtung eines FS-IGBT als Beispiel erläutert, aber die oben beschriebene Ausführungsform ist nicht einschränkend, und die vorliegende Erfindung kann auch auf einen Leistungs-IC (integrierte Schaltung) und einen MOSFET (MOS-Gate-Feldeffekttransistor) angewendet werden. Ferner kann auch eine Konfiguration verwendet werden, bei welcher n- und p-Typen allesamt umgekehrt sind.
INDUSTRIELLE ANWENDUNGSMÖGLICHKEITEN
Wie hierin oben beschrieben, eignen sich das Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung und die Vorrichtung zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zur Herstellung von Halbleitervorrichtungen wie Leistungs-ICs, MOSFETs und IGBTs.
Bezugszeichenliste

1: FZ-N-Substrat (nach Dickenverringerung)
1a: Rückseite
1b: FZ-N-Substrat (vor Dickenverringerung)
2: Gate-Oxidationsfilm
3: Gate-Elektrode
4: p⁺-Basisschicht
5: n⁺-Emitterschicht
6: Zwischenschicht-Isolierfilm
7: Emitterelektrode (Vorderseitenelektrode)
8: Vorderseitenstruktur
9: FS-Schicht (n⁺-Feldstoppschicht)
10: p⁺-Kollektorschicht
11: Rückseitenelektrode (Kollektorelektrode)
12: Ionenimplantation von Phosphor
13: Ionenimplantation von Bor
14: Laserlicht
15: Laserbestrahlungseinheit
16: Optikspiegel
18: Wärme
21: n^–-Aktivschicht
22: p⁺-Kollektorschicht
31: Substraterwärmungseinheit
32: Führung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2005-268487 [0022]
JP 4043865 [0022]
JP 4088011 [0022]

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung, welches Verfahren enthält: Ionenimplantieren einer Dotiersubstanz in ein Halbleitersubstrat und Aktivieren der Dotiersubstanz durch Laserglühen, während das Halbleitersubstrat erwärmt wird.
Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung, welches Verfahren enthält: einen Schritt des Bildens einer Vorderseitenstruktur einer Halbleitervorrichtung auf einer ersten Hauptseite eines Halbleitersubstrats; einen Schritt des Schleifens einer zweiten Hauptseite des Halbleitersubstrats und des Verringerns der Dicke des Halbleitersubstrats; einen Schritt des Ionenimplantierens einer Dotiersubstanz in die zweite Hauptseite des Halbleitersubstrats von verringerter Dicke; und einen Schritt des Aktivierens der Dotiersubstanz durch Bestrahlen der zweiten Hauptseite mit Laserlicht und des Durchführens von Laserglühen in einem Zustand, in welchem das Halbleitersubstrat von verringerter Dicke erwärmt wird.
Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung nach Anspruch 2, wobei eine Erwärmungstemperatur des Halbleitersubstrats 100°C bis 500°C beträgt.
Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung nach Anspruch 3, wobei eine Wellenlänge des beim Laserglühen verwendeten Laserlichts 200 nm bis 900 nm beträgt.
Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung nach Anspruch 4, wobei eine Bestrahlungsenergiedichte des Laserlichts 1,2 J/cm² bis 4 J/cm² beträgt.
Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung nach Anspruch 2, wobei das Laserlicht durch YAG-2ω-Laserlicht und Halbleiterlaserlicht gebildet wird.
Vorrichtung zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung, welche Vorrichtung enthält: eine Trägereinheit, welche ein Halbleitersubstrat trägt; eine Bestrahlungseinheit, welche das Halbleitersubstrat mit Laserlicht bestrahlt; und eine Erwärmungseinheit, welche das Halbleitersubstrat erwärmt.
Vorrichtung zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung nach Anspruch 7, wobei die Trägereinheit und die Erwärmungseinheit integriert sind, um eine Substraterwärmungseinrichtung zu konfigurieren, welche eine die Halbleitervorrichtung festhaltende Führung aufweist und das Halbleitersubstrat erwärmt.